Linux 下的 mmap()

gogojesse

以下希望藉由一個實際可以在user mode運作的API, mmap()
讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色

寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
4 \6 M5 W, y- E- d, I在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )
去打開一個檔案系統的節點
0 B  t4 H3 k7 E就可以用這個file descriptor的handler對他做mmap()的動作
那這個mmap究竟背後藏了哪些意義?
8 p- \4 s8 ]( k( l# z1 I又有哪些硬體在工作才能達成?

mmap的字面意義是memory map
5 n: [+ D, \3 G. s2 K8 h顧名思義就是『記憶體映對』
* S- u0 ^- B/ z) g7 F簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
對映好了，對著傳回的address作存取
就等於對檔案作存取
( X7 _- O$ U; D
0 b. Q. U5 }, z( k1 E# N( ?1. 首先來看mmap()一般是怎麼被使用的 (這邊可以先不用管要傳什麼參數)
3 c2 {* g- I; ?  f& s% hint fd, mapSize, offset, start;
8 C% Q) f2 i: xchar* ptr;
6 W/ x! u2 r6 ~" Z% C" Z; }
0 G' S/ V. L* t* r9 L: C+ vmapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
offset = 0;
/ C( }. \8 n$ Ystart = 0;
' u5 e# A6 I/ f! G/* 打開檔案 */
$ ~9 \5 J, b. d" R6 Tfd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
; e& J% g3 X# k5 q- P/ h2 t/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );

/ Q, Z; y! G8 \7 b; N( `6 e/ J假如一切順利的話 ptr 就會接到一個address，這個address會對應到a.txt這個檔案所在的起始位置，
& g/ U# c* f5 U9 l7 H& A如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );
0 I5 R1 ^% j& _; Q
' X! Z3 v+ f6 S: w  ta.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串
' E+ x. l. y2 M" n
$ v. C3 b3 @0 X" L. s2 Z7 b2. 假如我寫了兩個程式，都是用mmap()到同一個a.txt，程式會不會出問題? 如果不會，那我既然對同一個檔案作mmap(),那我拿到的ptr不是應該是相同的address?
. F5 E1 I9 R/ Q* `6 q- _
答案是：兩個程式可以正常執行，但是這兩個回傳的address不一定相同。
3 j1 s0 B+ a/ O% _6 I7 E3 {why?  為什麼對同一個檔案寫入，也都做同樣的mmap()動作，甚至傳的參數值都相同。
5 ~. r! q' K; a4 E) N$ H/ {為什麼拿到的address可以是不同的? 更奇怪的是，位址不同，還是同樣寫到同一個檔案上頭。

  c- F3 K. N9 s# m假如這一切都是合理的，那表示雖然這兩個位址不一定相同，其實都是對映同一個地方，表示有某種東西記錄著這個對應關係。而且，兩個program的ptr有時候會一樣，可是有時候又不一樣。唯一個可能是表示兩個process各自保有這些映對的方式。
" _% R" u: Y6 I# v# K
2 o2 z1 b; \6 p4 Z$ Z: S3. 假設我只寫一個程式，但是mmap()兩次到同一個檔案上呢? 得到的兩個ptr會一樣嗎?

答案是：這個兩ptr還是不一樣的，兩個不同program 跑出來的mmap()結果不同也就算了，同一個program呼叫兩次mmap()跑出來的ptr也不一樣，但又都對映著相同的檔案a.txt。因此我們又可以猜測這一個mmap()是動態的，動態去產生一種應對的方式，將傳回的ptr對應到真正的檔案a.txt去，所以同一個process可以對應好幾次，好幾次都用不同的address去對映到相同的檔案上去。
% }( O" U3 t5 y  ^" M) N
綜合上面三種現象，我們合理的懷疑系統裡面存在了一個東西，它讓每一個process可以動態地記錄address的對應關係。並且，每個process各自擁有這個table，而這些對映的關係會動態的反應在這個table當中。

回想一下一個系統有誰會做這種工作，不就是MMU所擔任的重要角色嗎?
# X! N$ i' }  @0 A- f( i* }; T每個process各自擁有自己的 page table 當他呼叫mmap()的時候，系統就動態地幫她在這個table上寫上紀錄著
8 |1 Q9 t* W: n- u  H
[processA-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xa0008000 ptr2 --> a.txt

[processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
6 s7 N8 T$ d" T1 T: b9 j- R0xb0008000 ptr2 --> a.txt

$ k' L5 g+ y; n1 E這樣ptr1, ptr2都可以對應到相同的地方，又因為各個process又有不同table，所以有時候ptr1有可能會相同。
$ O5 u6 E! Z+ q% ?如此一來，我們終於可以合理的解釋我們觀察mmap()為何對映出來的address會有如此的表現。原來就是MMU被加入，而且OS又被設計成每個process都會各自擁有一個page table來記錄他對記憶體如何解讀。

gogojesse

略寫下兩個延伸的想像問題
/ f- F* r  J/ x0 X或許有人有興趣可以回答或是深入研究

$ e5 u1 e! ?/ h2 f2 T[延伸想像]
我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
9 j  I0 Z8 Y: m( D  Z那麼從一個process做context switch到另外一個process的時候
. `/ H! o3 `+ s& L/ L" g( ^代表所用的table是不同的
8 E1 h( q9 O7 `+ `- m9 V* ewow!!!可想而知系統是很忙碌的，1秒鐘context switch 10次就要替mmu切換10次page table的mmap方式
" y9 O  l& k# ]1 q+ U9 ], v* J8 l不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
那OS到底怎麼切換這些page table?
: t9 H, B+ }2 g; ^+ N4 fkernel和user program的page table有什麼不同??
5 b- [+ g0 a7 }% I! C) @
[延伸想像]
假如我們可以修改page table的權利，是不是就可以寫出一個可以偷取別的process data的東西?因為我可以偷偷的map過去他的address space讀取它的資料??    有辦法嗎? 還是根本沒機會?